Question Number 46851 by maxmathsup by imad last updated on 01/Nov/18
$${let}\:{f}\left({x}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{{x}\:+{sint}}{dt}\:\:{withx}>\mathrm{1} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{calculate}\:{f}\left({x}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\:\frac{{sint}}{\left({x}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right){find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\mathrm{2}+{sint}}{dt}\:{and}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left(\mathrm{2}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 02/Nov/18
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{we}\:{have}\:{f}\left({x}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\frac{{x}+{sint}\:−{x}}{{x}+{sint}}\:{dt}\:=\mathrm{2}\pi\:−{x}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{dt}}{{x}+{sint}} \\ $$$${changement}\:{e}^{{it}} ={z}\:{give}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{dt}}{{x}+{sint}}\:=\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{x}+\frac{{z}−{z}^{−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}{i}}}\:\frac{{dz}}{{iz}} \\ $$$$=\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2}{idz}}{{iz}\left(\mathrm{2}{ix}\:+{z}−{z}^{−\mathrm{1}} \right)}\:=\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2}{idz}}{−\mathrm{2}{xz}+{iz}^{\mathrm{2}} \:−{i}}\:=\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2}{dz}}{\mathrm{2}{ixz}+{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$$$=\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2}{dz}}{{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{ixz}\:−\mathrm{1}}\:\:{let}\:\varphi\left({z}\right)=\frac{\mathrm{2}}{{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{ixz}\:−\mathrm{1}}\:{poles}\:{of}\:\varphi? \\ $$$$\Delta^{'} \:=\left({ix}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:=\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \:=\left({i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow{z}_{\mathrm{1}} =−{ix}+{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$$${z}_{\mathrm{2}} =−{ix}−{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$$$\mid{z}_{\mathrm{1}} \mid−\mathrm{1}\:=\mid−{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\mid−\mathrm{1}\:=\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}−{x}−\mathrm{1}=\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}−\left({x}+\mathrm{1}\right) \\ $$$${and}\:{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}−\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \:={x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\:=−\mathrm{2}{x}−\mathrm{2}<\mathrm{0}\:\Rightarrow\mid{z}_{\mathrm{1}} \mid<\mathrm{1} \\ $$$$\mid{z}_{\mathrm{2}} \mid−\mathrm{1}\:=\mid{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\mid−\mathrm{1}\:={x}−\mathrm{1}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}>\mathrm{0}\:{because}\:{x}>\mathrm{1}\:\:\Rightarrow{z}_{\mathrm{2}} {is}\:{out}\:{of}\:{circle} \\ $$$${so}\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\pi\:{Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)\:{but}\:\varphi\left({z}\right)\:=\frac{\mathrm{2}}{\left({z}−{z}_{\mathrm{1}} \right)\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)}\:\Rightarrow \\ $$$${Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)\:={lim}_{{z}\rightarrow{z}_{\mathrm{1}} } \left({z}−{z}_{\mathrm{1}} \right)\varphi\left({z}\right)\:=\frac{\mathrm{2}}{{z}_{\mathrm{1}} −{z}_{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\pi\:\frac{\mathrm{1}}{{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:=\frac{\mathrm{2}\pi}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\Rightarrow\:\bigstar{f}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{2}\pi}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\bigstar\:\:{with}\:{x}>\mathrm{1} \\ $$
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$$\left.\mathrm{2}\right)\:{we}\:{have}\:{f}^{'} \left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\frac{\partial}{\partial{x}}\left\{\:\frac{{sint}}{{x}+{sint}}\right\}{dt}\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left({x}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left({x}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:=−{f}^{'} \left({x}\right)\:{but}\:{f}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{2}\pi}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:=\mathrm{2}\pi\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\Rightarrow \\ $$$${f}^{'} \left({x}\right)\:=\mathrm{2}\pi\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\left(\mathrm{2}{x}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} \:=\frac{−\mathrm{2}\pi{x}}{\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} }\:=\frac{−\mathrm{2}\pi{x}}{\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\frac{{sint}}{\left({x}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }\:{dt}\:=\frac{\mathrm{2}\pi{x}}{\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\:{with}\:{x}>\mathrm{1}\:. \\ $$
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$$\left.\mathrm{3}\right)\:{we}\:{have}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\mathrm{2}+{sint}}\:{dt}\:={f}\left(\mathrm{2}\right)\:=\frac{\mathrm{2}\pi}{\:\sqrt{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:=\frac{\mathrm{2}\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left(\mathrm{2}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:={f}^{'} \left(\mathrm{2}\right)\:=\frac{\mathrm{4}\pi}{\left(\mathrm{2}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\sqrt{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:=\frac{\mathrm{4}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\:. \\ $$